Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Trang 2

Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ii

đại học tháI nguyên

Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp

-  -

Phùng thanh kiên

NGHIÊN CứU, ứNG DụNG hệ mờ lai cho tay máy

Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Trang 3

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phùng Thanh Kiên

Sinh ngày: 31/7/1981

Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái

Xin cam đoan về luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ”

do Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng

tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình./

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013

Học viên

Phùng Thanh Kiên

Trang 4

iv

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc dưới sự hướng

dẫn của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng

dụng hệ mờ lai cho tay máy” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn

Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù với cố gắng triệt để, song do hạn chế về điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp Từ đó, góp phần đưa ứng dụng của đề tài nghiên cứu này vào trong thực tế một cách rộng rãi, hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Trang 5

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU 3

1 Lý do chọn đề tài 3

2 Mục tiêu cần đạt được 3

3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 5

1.1 Tổng quan về lôgic mờ và điều khiển mờ 5

1.1.1 Tổng quan về lôgic mờ 5

1.1.2 Tổng quan về điều khiển mờ 9

1.2 Các bộ điều khiển mờ và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 17

1.2.1 Các bộ điều khiển mờ 17

1.2.2 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 18

1.3 Bộ điều khiển mờ lai 20

1.3.1 Khái niệm 20

1.3.2 Các cấu trúc bộ điều khiển mờ lai thông dụng 20

1.3.3 Một số ví dụ về ứng dụng của bộ điều khiển mờ lai 23

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC TAY MÁY 28

2.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp 28

2.2 Ứng dụng của robot công nghiệp 29

2.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 31

2.3.1 Cấu trúc chung 31

Trang 6

vi

2.3.2 Kết cấu tay máy 32

2.4 Tay máy 2 bậc tự do 33

2.4.1 Thiết lập hệ tọa độ: 33

2.4.2 Mô hình biến đổi: 34

2.4.3 Phương trình động học: 35

2.4.4 Tổng hợp chuyển động Robot : 35

2.4.5 Động lực học Robot: 37

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO TAY MÁY (FUZZY - PID) 49

49

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho tay máy 2 bậc tự do 53

64

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Trang 7

Trang 8

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 - Mờ hóa biến “tốc độ” 8

Hình 1 2 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 9

Hình 1 3 - Hàm liên thuộc của luật hợp thành 12

Hình 1 4 - Giải mờ bằng phương pháp cực đại 14

Hình 1 5 - Giải mờ theo nguyên lý trung bình 15

Hình 1 6 - Giải mờ theo nguyên lý cận trái 15

Hình 1 7 - Giải mờ theo nguyên lý cận phải 16

Hình 1 8 - Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 16

Hình 1 9 - Các bộ điều khiển mờ 18

Hình 1 10 - Cấu trúc tổng quát một hệ mờ 18

Hình 1 11 - Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 21

Hình 1 12 - Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 22

Hình 1 13 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 23

Hình 1 14 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 24

Hình 1 15 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 24

Hình 1 16 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 25

Hình 1 17 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 26

Hình1 18 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 27

Hình 2 1 - Sơ đồ cấu trúc chung của robot công nghiệp 31

Hình 2 2 - Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống cảm biến 32

Hình 2 3 - Sơ đồ kết cấu tay máy 33

Hình 2 4 - Tay máy 2 khâu phẳng (vị trí bất kỳ) 34

Hình 2 5 - Cơ cấu tay máy 2 bậc (khâu) 45

Hình 3 1 - Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 49

Hình 3 2 - Cấu trúc chi tiết đối tượng trong phần mềm Matlab 49

Hình 3 3 - Mô hình cấu trúc bộ điều khiển trong phần mềm Matlab 50

Hình 3 4 - Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab 50

Hình 3 5 - Sơ đồ cầu trúc mô phỏng hệ điều khiển Robot 2 bậc tự do 51

Hình 3 6 - Đáp ứng đầu ra của các biến khớp Robot 51

Trang 9

ix

Hình 3 7 - Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của các biến khớp 52

Hình 3 8 - Tín hiệu điều khiển các biến khớp của Robot 52

Hình 3 9 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển PD 53

Hình 3 10 - Bộ điều khiển Mờ lai 54

Hình 3 11 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 54

Hình 3 12 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 55

Hình 3 13 - Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 56

Hình 3 14 - Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ 57

Hình 3 15 - Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 57

Hình 3 16- Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 58

Hình 3 17 - Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 59

Hình 3 18 - Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 59

Hình 3.19 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển mờ 60

Hình 3 20 - Các thông số của cánh tay robot 2 bậc tự do 60

Hình 3 21 - Quỹ đạo bám của biến khớp 1 và 2 sử dụng bộ điều khiển mờ 61

Hình 3 22 - Tín hiệu điều khiển của biến khớp 1 và 2 62

Hình 3 23 - Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 62

Hình 3.24 - Mô hình thực nghiệm 64

Hình 3 25 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 65

Hình 3 26 - Cấu hình cổng kết nối 65

Hình 3 27 - 66

Hình 3 28 - Cấu hình đọc encoder 66

Hình 3 29 - Cấu hình xuất tín hiệu PWM 67

Hình 3 30 - Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ 67

Hình 3 31 - Cấu hình đầu ra số 68

Hình 3 32 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 68

Hình 3 33 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 69

Hình 3 34 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 69

Trang 10

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1- Thông số DH của tay máy phẳng 34Bảng 2 2 - Bộ thông số DH của tay máy toàn khớp 45Bảng 3 1 - Thông số cho cánh tay robot 2 bậc tự do 61

Trang 11

1

LỜI NÓI ĐẦU

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con người Và mục tiêu ứng dụng của kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng suất các dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa Robot công nghiệp là

bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh hoạt đó

Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác

Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển mờ lai

Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính

là cơ sở lý thuyết cho đề tài này

Trong lĩnh vực Robot hiện nay, phần cơ khí (Robot Mechanics), hệ thống Điều khiển (Robot Control) và hệ thống lập trình (Programming system) được coi là các thành phần độc lập và được các nhà sản xuất chào bán độc lập

Mô hình thí nghiệm Cánh tay Robot 5 bậc tự do, nhãn hiệu RD5NT là một mô hình thí nghiệm trường học, mô hình hóa một cánh tay Robot 5 bậc tự do mà khá phổ biến trong các dây chuyền sản xuất hiện nay Mô hình Cánh tay Robot 5 bậc tự do RD5NT có 5 khớp, mỗi khớp được hoạt động bởi một động cơ điện một chiều Đề tài

“Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” được đề xuất với mục đích:

1 Mô phỏng việc điều khiển 2 trong 5 bậc của mô hình Cánh tay Robot 5 bậc tự do RD5NT trên phần mềm MatLab

2 Thiết kế bộ điều khiển cho 1 trong 5 bậc của mô hình Cánh tay Robot 5 bậc tự do RD5NT, áp dụng thuật toán điều khiển mờ lai

Trang 12

2

Trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu, phát triển về Robot vẫn không ngừng phát triển, điều này được thể hiện qua rất nhiều các bài báo, tạp chí kỹ thuật trong và ngoài nước Có thể đưa ra một số ví dụ cụ thể:

- 11 Nguyễn Vãn Minh Trí, Lê Vãn Mạnh (2010), “Thiết kế bộ điều khiển

PID bền vững cho hệ thống phi tuyến bậc hai nhiều đầu vào – Nhiều đầu ra và ứng dụng trong điều khiển tay máy công nghiệp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại

học Đà Nẵng , số 4(39)

- 12 Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Thiết kế bộ điều khiển

mờ một đầu vào cho cánh tay robot”, Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp, số 9(06)

- 13 Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Điều khiển bám

đuổi mạng neural thích nghi cho cánh tay robot bao gồm động lực học cơ cấu truyền động” Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp, số 9(06)

Các bài báo này đã đưa ra các phương pháp khác nhau xây dựng cấu trúc điều khiển cho cánh tay Robot, hoặc điều khiển tay máy công nghiệp Đề tài

“Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” đề xuất ra một phương pháp thiết kế

bộ điều khiển cho mô hình Cánh tay Robot RD5NT trong phòng thí nghiệm dựa trên thuật toán điều khiển mờ lai được tham khảo ở một số các bài báo, tạp chí, luận văn trong nước và quốc tế

Nội dung chính của đề tài bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển mờ

Chương 2: Mô tả toán học tay máy

Chương 3: Ứng dụng điều khiển mờ lai cho tay máy (PID - Fuzzy)

Do điều kiện thời gian không cho phép, tác giả chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển cho 01 trong 5 khớp của mô hình trên Tuy nhiên, đề tài này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu về sau có thể xây dựng một bộ điều khiển mà có thể điều khiển phối hợp toàn bộ từ 02 khớp trở lên của mô hình

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013

Học viên

Trang 13

số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn

Từ tình hình thực tế và điều kiện nghiên cứu của bản thân, trong đề tài này tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy,

cụ thể với tên đề tài là: "Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy"

Trang 14

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	696,84 KB
File đính kèm	Luận văn Full.rar (2 MB)